JP2004507629A - 構造支持部材を形成するために異種の材料を接合するための装置および方法 - Google Patents
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Abstract
構造部材用の予備成形された構成要素、すなわち「プレフォーム」は、底部から平行に延びている2つの長手方向脚部を備える平らな底部を有する。チャネルが、構造部材のウェブを形成する平らなパネルの挿入のために脚部の間に画定されている。プラットフォームは、編まれた、または撚られたファイバの連続したフィラメントを有する複合材料である。プレフォームは、構造部材のフランジのウェブを接着する熱硬化性樹脂を含浸されている。プレフォームは、フランジのウェブが、金属と複合材料などの異種の材料から形成されている場合でさえも、優れた構造支持を提供する。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するようにして方向付けられたファイバで構造的に強化されている。
Description
【0001】
(関連出願の相互参照)
本願発明人Elebert L.McKague,Jrによる以下の米国特許出願が、同時提出中であり、参照によって本明細書に組み込まれる。「Apparatus And Method For Controlled Damage Of Conformable Materials」という題名の米国特許出願、「Composite Structural Panel with Undulated Body」という題名の米国特許出願、および本願発明人と、発明人Ronald P.Schmidtおよび David T.Uhlによる、「Composite Material Support Structures With Sinusoidal Webs And Method Of Fabricating Same」という題名の米国特許出願。
【0002】
(発明の背景)
1.技術分野
本発明は、一般に、異種の材料を接合することによって作製された改良型の構造部材、より具体的には改良型の構造梁に関する。さらに具体的には、本発明は、構造のウェブを異種の材料で形成されたフランジと接合するための構造用の複合材料プレフォームに関する。
【0003】
2.従来技術の説明
構造支持桁またはI型梁は、通常、ウェブの両端にクロスバーまたはフランジを備えるウェブを有する、「I字」形状または「H字」形状の断面を有する。ウェブおよびフランジは、梁の長さ方向に一体に延びているが、形状、厚さ、材料などは様々である。たとえば、あるタイプの梁は、第1の材料(金属など)から形成されたウェブと、第2の異種の材料(複合材料など)で形成されたフランジとを有する。このタイプの梁は、これらの構造が優れた剛性と強度対重量性能を提供する可能性を与えるため、様々な設計および製造手法を通じて求められてきた。
【0004】
金属と複合材料など、異種の材料を接合する従来の手法は、2つの要素が角度をなす場合、一般に機械的な固定に依存している。図2に示すように、フランジ15を備える逆T字形の金属パネル13を有する桁11が、機械的固定具19によって、金属パネル13と複合材料プレート17が互いに垂直であるように平らな複合材料プレート17に接合される。このような構成では、金属パネル13は、複合材料プレート17との固定を可能にするためのフランジ15を有さなければならない。また、金属パネル13上にフランジ15を有する必要性は、フランジ15が、購入して機械加工で取り除かなければならない金属の量をかなり増加させるため、その製造にかなりのコストを追加する。また、機械的な固定は、穿孔、孔の皿もみ、固定具の設置、および、いくつかの場合では、所望の表面平滑度を達成するように固定具頭部を処理することを含む。これらのステップは、費用が高く、桁アセンブリの全体コストに25%から60%追加することがある。したがって、異種の材料を角度を付けて接合することによって構造支持部材を形成するための改良型の装置および方法が必要とされる。
【0005】
(発明の概要)
構造支持梁用の、予備成形された構成要素すなわち「プレフォーム」は、2つの長手方向脚部がそこから平行に延びている平らな底部を有する。チャネルが、プレフォームの脚部の間に画定されており、構造支持梁のウェブを形成する平らなパネルがチャネル内に挿入されている。プレフォームは、編まれた、または撚られたファイバの連続したフィラメントを有する複合材料である。プレフォームは、構造支持梁のウェブをフランジに接合および接着する熱硬化性樹脂を含浸されている。プレフォームは、ウェブおよびフランジが金属と複合材料など異種の材料から形成されている場合でさえも、優れた構造支持を提供する。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するように方向付けられたファイバによって構造的に強化されている。
【0006】
単独のフィラメントがプレフォーム用に選択された場合、その特性は、金属ウェブと複合材料フランジの熱膨張係数の差を最小にするように選択される。しかし、プレフォームは、異なる特性を有する2つ以上のタイプのフィラメントを有してもよい。プレフォームの底部のフィラメントは、その軸方向の熱膨張係数が複合材料フランジのものと一致するように選択される。プレフォームの脚部のフィラメントは、その軸方向の熱膨張係数が金属ウェブのものと一致するように選択される。これらのフィラメントは、プレフォームの脚部と平行に方向付けられた最良な構造ファイバを有することによって、およびプレフォームの底部内に織り込まれることによって、接合された金属ウェブと複合材料フランジの間の結合強度を提供するように組み合わせて使用される。
【0007】
本発明の上記およびその他の目的および利点は、頭記の特許請求の範囲および添付図面と組み合わせて、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を見れば当業者ならば明らかであろう。
【0008】
本明細書の一部を形成している添付の図面に図示されたその実施形態を参照にすると、本発明の特徴、利点および目的、ならびに明らかになるその他のものが得られ、上記で簡単に説明された本発明のより具体的な説明が、より詳細に得られ、理解されるであろう。しかし、図面は本発明の好ましい実施形態のみを図示しているに過ぎず、したがって本発明は他の同様に効果的な実施形態にも適用することができるため、その範囲を限定するものと考えてはならないことに留意されたい。
【0009】
図2および3を参照すると、構造支持梁用の好ましい構成部品すなわち「プレフォーム」11が、示されている。端部から見た、または断面で見たとき、プレフォーム11は、2つの長手方向脚部15、17がそこから延びている長手方向のクロスバーまたは底部13を有する、ギリシャ文字のΠすなわち「パイ」に類似している。溝またはチャネル19が、脚部15、17の間に画定されている。プレフォーム11は、構造ファイバ21(図2)の連続した束または短線を編む、または撚ることによって形成された複合材料である。ファイバ21の短線は、底部13および脚部15、17を含むプレフォーム11の各セグメント全体にわたって連続して延びるように方向付けられている。ファイバ・プレフォームは、選択された荷重担持能力を賦与し、いかなる所望のウェブ・パネル厚さにも対応するために必要な任意の所望のファイバ構造を提供するように形成されてもよい。プレフォーム11は、2つの異種の材料を接着するための接着材として作用する適切な熱硬化性樹脂を含浸されてもよい。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するようにして、x、yおよびz方向に向けられたフィラメントおよび/またはファイバで構造的に強化されている。
【0010】
別法として、プレフォーム11は、含浸されず、樹脂が全体製造プロセスの後のステップで注入されてもよい。後者の実施形態では、プレフォーム11は、プロセスが抑止されないようにしてフィラメントを編むまたは撚ることによって構成される。硬化した後、プレフォーム11は、所望の縁部の真直度、平滑度および寸法の制御を提供するために、適切な方法によって必要に応じて機械加工されてもよい。プレフォーム11の別の説明は、弁理士整理番号TA−00390を有する、米国特許出願第 号に含まれており、参照によって本明細書に組み込まれる。
【0011】
いま図4を参照すると、プレフォーム11は、平らな金属パネル31を平らな複合材料プレート33に角度を付けて接合するために使用される。金属パネル31は、プレフォーム11を接着するように準備された領域32を有する。準備は、化学エッチングなどの、選択された金属合金に適したいかなる適切な確立された方法であってよい。複合材料もまた、剥離層の除去などの適切な方法によって、プレフォームと対合する領域内で、準備されてもよい。図示された実施形態では、金属パネル31が構造支持部材のウェブを形成し、複合材料プレート33がそのフランジを形成しており、角度は垂直である。しかし、複合材料プレート33が、金属パネル31を桁のフランジとして備える桁のウェブを形成してもよい。また、部材間の角度は鋭角であってもよい(図8参照)。ファイバのプレフォーム11は、樹脂の硬化前は可撓性であるため、部材は、互いに対して他の角度で接合することができる。図8では、梁71は、ウェブまたは金属パネル77に対して直交しない角度で傾斜している上部および下部の複合材料フランジ73、75を有する。プレフォーム81の底部79は、ほぼ平らであり、フランジ73、75に対して平行であるが、プレフォーム81の脚部83は、底部79に対して直交しない角度で傾斜している。これらの概念は、I型梁タイプの構造支持部材に限定されず、用途に応じてU字形、C字形、L字形またはZ字形などの他の形状を有する梁での使用に容易に適合することができる。
【0012】
アセンブリ中、金属パネル31の長手方向縁部の1つは、図5に示されているように底に届く(bottom out)、またはほぼ底に届くまで、プレフォーム11のチャネル19内に完全に挿入される。2つの脚部15、17は、パネル31の厚さをぴったりと受けて、それをまたぐ。パネル31の鉛直方向側部または縁部は、プレフォーム11に付着しない。次に、適切な厚さ、ファイバ方向性、および幾何形状の複合材料プレート33が、パネル31に対向するプレフォーム11の底部13に接するように配置されて、構造支持部材用のクロスバーまたはフランジを作成する。複合材料プレート33は、硬化されても硬化されなくてもよいが、本発明の好ましい実施形態では、必要とされるアセンブリツーリングを簡単にするために、所望の形状および寸法公差を提供するようにすでに硬化されている。
【0013】
金属および複合材料の要素の固定具なしでのアセンブリは、以下のステップを介して達成することができる。(1)硬化されていない、樹脂を含浸されたプレフォーム11の底部13が、適切に清浄、または接合準備をされた後、底部プレートまたはパネル(通常複合材料プレート33)上の所望の接合位置に配置される。(2)適切な固定具を用いて、金属パネル31が、複合材料プレート33に対して所望の角度で、硬化されていないプレフォーム11のチャネル19内に配置される。(3)従来型の成形された形状のシリコンゴムまたはその他の適切な圧力増強部/伝達部35(図5)などの、適切な境界ツーリングが、プレフォーム11の両側に接して配置される。(4)バキュームバギング材料39が、結果として得られたアセンブリの周囲に配置され、シーラントビード37で密封され、真空がバッグ下で吸引される。プレフォームが事前に含浸されていない場合、選択された樹脂がその中に注入される。(5)全体構造が、プレフォーム11が含浸された熱可塑性樹脂の硬化に適した熱プロファイルに従って加熱され、それによって、形成中の構造が、その一体結合プレフォーム11を金属パネル31に接着し、所望の構造を作成する。望ましい場合、または必要な場合、プレフォーム11の圧密化を提供するために、樹脂の硬化中、オートクレーブ圧力を同時に作用させてもよい。樹脂および最大硬化温度は、硬化されたガラス転移温度が、アセンブリの意図された使用温度よりも高いように選択される。別法として、フリーラジカル重合などの適切な化学作用を有する樹脂を使用して、それによって電子のエネルギ・ビームが硬化を開始、完了することができる(電子ビーム硬化としてこの産業で公知のプロセス)。(6)要求された硬化サイクルの完了に続いて、バギング材料および位置決め固定具が除去され、完成されたアセンブリとなる。
【0014】
別法として、すべての硬化性の材料を、金属パネル31、プレフォーム11および複合材料33のアセンブリ時に硬化させなくてもよいことは当業者にはすでに明らかであろう。それぞれの構成要素がアセンブリされ、適切なツーリング内に配置された後、プレフォーム11内の樹脂を、樹脂トランスファ成形タイプのプロセスで射出することができる、または、プレフォームを覆う厚い樹脂層を配置することによって、バキュームバギングを加えることによって、注入されることができる。このことは、必要とされる硬化サイクル数を減少させるが、アセンブリの硬化ツーリングの要求をかなり複雑にし、それによってコストとリスクを両方増大させる。さらに別の手段によって、プレフォーム11と硬化されていない複合材料プレート33との共接着を達成することができる。パネル31の一端のみについてプロセスを説明したが、この一連のステップを、パネル31の両端で同時に行って、最終製品の桁または梁41を形成してもよい(図7)。
【0015】
アセンブリの実際の使用温度、および選択された樹脂の化学組成に応じて、アセンブリを、177℃(350°F)の高さの樹脂硬化温度に曝すことが必要であることがある。このような温度では、プレートまたはパネル31、33のそれぞれの寸法的な成長は、それぞれの熱膨張係数によって支配される。約21.6×10−6cm/cm/℃(12マイクロインチ/インチ/°F)の熱膨張係数を有するアルミニウム・パネルでは、3.3×10−6cm/cm(約3300マイクロインチ/インチ)の長さだけ膨張することになる。対照的に、エポキシ樹脂を含浸されたカーボンファイバから形成された複合材料プレート33は、無視できる膨張性を有する。この膨張性の違いは、接合されたパネルおよびプレート31、33上にかなりのひずみを与え、それによって、アセンブリの機械的性能を劣化させ、熱的不整合によって誘発された反りのため、アセンブリの所望の寸法制御の達成を困難にする。プレフォーム11の脚部15、17では、アルミニウム・パネル31の熱膨張係数により近い熱膨張係数を有する軸方向ファイバが、アセンブリ内に作成されたひずみの量を減少させることになる。
【0016】
図6では、代替となる実施形態が、異なる特性を有する2つ(または2つ以上)のタイプのフィラメントおよび/またはファイバを有するプレフォーム51を示している。底部のフィラメント53は、プレフォームの長さに対して平行に方向付けられ、その軸方向の熱膨張係数が複合材料プレート33の熱膨張係数とできる限り厳密に適合するように選択される。脚部フィラメント55は、これもプレフォームの長さに対して平行に方向付けられ、その軸方向の熱膨張係数が、接着領域32を有する金属パネル31の熱膨張係数とできる限り厳密に適合するように選択される。フィラメント53、55は、プレフォーム51の脚部57、59と平行に(矢印61の方向に)方向付けられることによって、およびプレフォーム51の底部63内に織り込まれることによって、接合された金属パネル31および複合材料プレート33に結合強度を提供するために組み合わせて使用される。結合強度を提供するために選択されたファイバまたはフィラメント53は、熱膨張特性のために選択されたファイバおよび/またはフィラメント55に直交するように方向付けられる。これらの直交するファイバ群53は、プレフォーム51の幅を横切って、横糸ファイバ、すなわち、プレフォームの長さ方向に対して垂直であるファイバを編むことから得られるように往復してその形状を追従する。
【0017】
脚部57、59が底部63と交差する領域内で2つの軸方向ファイバ53、55を混合するための大きさおよびパターンは、存在する場合は、解析および/または経験による方法を通じて、特定用途ベースで決定される。プレフォーム51用に単体のフィラメントが選択されたとき(図4)、その特性は、金属パネル31と複合材料プレート33でのその熱膨張係数の差を最小化するように選択される。しかし、すべての場合で、フィラメントは、プレフォームの軸および連続する長さに平行に方向付けられる。
【0018】
フィラメントまたはファイバの選択の例は、プレフォーム11の軸方向にEガラス(登録商標)またはSガラス(登録商標)ファイバ、結合強度方向(脚部15、17の鉛直方向に平行)に、HexelAS4(登録商標)またはTorayT300(登録商標)であろう。グラスファイバは、10.8×10−6cm/cm/℃(6マイクロインチ/インチ/°F)の熱膨張係数を提供するが、一方、カーボンファイバは、ゼロに近い熱膨張係数を有する。したがって、グラスファイバは、カーボンファイバよりも良いアルミニウムとの熱ひずみ整合である。別法として、軸方向の金属製フィラメントが、プレフォーム11の脚部15、17と金属パネル31の間の熱ひずみに、より小さい差を与える。HexcelIM7(登録商標)またはAmocoT600M(登録商標)などの高分子カーボンファイバが、ひずみの差が乗算される全体距離が極めて小さい結合強度方向用に使用されてもよい。
【0019】
樹脂の硬化中、実用されているような低い温度で、樹脂がゲル化するように温度が制御される。このステップに続いて、硬化された樹脂の必要なガラス転移温度を達成するのに必要なレベルまでゆっくりと温度が上昇される。より低い温度で樹脂をゲル化させることは、必要とされるガラス転移温度を達成するのに必要な温度点よりも低い、応力のない温度点の確立を目的としている。ゲル化後の温度上昇は、樹脂の架橋密度が、熱で誘導されたひずみの増加するレベルが弱い接着を破壊しないような速度で増加するように、極めて低速でなければならない。最大温度の滞留(dwell)が完了した後、好ましくは、ゲル化温度よりも少なくとも10℃(50°F)低い温度に到達するまで、実際に低い速度で冷却が行われる。このゆっくりとした冷却によって、ポリマー内でいくらかの緩和が生じることが可能になり、考えられる最低の、応力のない温度を維持することができる。応力のない温度と周囲温度の差に、金属パネル31の熱膨張係数とプレフォーム11内の軸方向ファイバの熱膨張係数の差を乗じたものは、結果として得られるアセンブリ内の熱で誘導されるひずみの量を決定する。
【0020】
本発明は、いくつかの利点を有する。編まれた、または撚られたパイ字形のプレフォームは、金属および複合材料のプレートまたはパネルを、機械的な固定具なしで互いに対して角度を付けて接合する。プレフォームは、従来型の接着剤接着技術よりもはるかに大きな強度を提供する一方、製造コストを単純化し、減少させる。本発明は、穿孔、皿もみ、固定具の設置、または固定具の熱処理を必要としない。機械的固定は、接合長さに沿って進行する追加作業を含むが、本発明は、1つのステップで全体接合部を処理する。このことによって、アセンブリの全体コストでの20%から55%の極めて大きな減少が可能になる。また、本発明はまた、樹脂を含浸されたプレフォームは、等しい強度の接合を提供するために必要であるいくつかの固定具よりも小さい重さであるため、従来技術の解決法よりも重量が軽い。さらに、金属の部材は、フランジのない平らなプレートまたはパネルにすることもでき、それによって、航空機用に使用されるような多くの複雑な、高性能な構造のための金属細部の製造コストがかなり減少される。
【0021】
本発明を、その形態のうちのいくつかのみを図示し、説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない様々な変更がされることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】異種の材料から形成された、従来型の、従来技術の桁の等角図である。
【図2】本発明によって製造された構造プレフォームの等角図である。
【図3】図2の構造プレフォームの端部断面図である。
【図4】図2の構造プレフォーム、複合材料フランジおよび金属ウェブの等角分解図である。
【図5】製造中の図4のプレフォーム、フランジおよびウェブの端面概略図である。
【図6】図4の構造の代替バージョン、複合材料フランジおよび金属ウェブの等角分解図である。
【図7】本発明による図4の構成要素から製造された梁の端面図である。
【図8】本発明に従って製造された梁の代替となる実施形態の端面図である。
(関連出願の相互参照)
本願発明人Elebert L.McKague,Jrによる以下の米国特許出願が、同時提出中であり、参照によって本明細書に組み込まれる。「Apparatus And Method For Controlled Damage Of Conformable Materials」という題名の米国特許出願、「Composite Structural Panel with Undulated Body」という題名の米国特許出願、および本願発明人と、発明人Ronald P.Schmidtおよび David T.Uhlによる、「Composite Material Support Structures With Sinusoidal Webs And Method Of Fabricating Same」という題名の米国特許出願。
【0002】
(発明の背景)
1.技術分野
本発明は、一般に、異種の材料を接合することによって作製された改良型の構造部材、より具体的には改良型の構造梁に関する。さらに具体的には、本発明は、構造のウェブを異種の材料で形成されたフランジと接合するための構造用の複合材料プレフォームに関する。
【0003】
2.従来技術の説明
構造支持桁またはI型梁は、通常、ウェブの両端にクロスバーまたはフランジを備えるウェブを有する、「I字」形状または「H字」形状の断面を有する。ウェブおよびフランジは、梁の長さ方向に一体に延びているが、形状、厚さ、材料などは様々である。たとえば、あるタイプの梁は、第1の材料(金属など)から形成されたウェブと、第2の異種の材料(複合材料など)で形成されたフランジとを有する。このタイプの梁は、これらの構造が優れた剛性と強度対重量性能を提供する可能性を与えるため、様々な設計および製造手法を通じて求められてきた。
【0004】
金属と複合材料など、異種の材料を接合する従来の手法は、2つの要素が角度をなす場合、一般に機械的な固定に依存している。図2に示すように、フランジ15を備える逆T字形の金属パネル13を有する桁11が、機械的固定具19によって、金属パネル13と複合材料プレート17が互いに垂直であるように平らな複合材料プレート17に接合される。このような構成では、金属パネル13は、複合材料プレート17との固定を可能にするためのフランジ15を有さなければならない。また、金属パネル13上にフランジ15を有する必要性は、フランジ15が、購入して機械加工で取り除かなければならない金属の量をかなり増加させるため、その製造にかなりのコストを追加する。また、機械的な固定は、穿孔、孔の皿もみ、固定具の設置、および、いくつかの場合では、所望の表面平滑度を達成するように固定具頭部を処理することを含む。これらのステップは、費用が高く、桁アセンブリの全体コストに25%から60%追加することがある。したがって、異種の材料を角度を付けて接合することによって構造支持部材を形成するための改良型の装置および方法が必要とされる。
【0005】
(発明の概要)
構造支持梁用の、予備成形された構成要素すなわち「プレフォーム」は、2つの長手方向脚部がそこから平行に延びている平らな底部を有する。チャネルが、プレフォームの脚部の間に画定されており、構造支持梁のウェブを形成する平らなパネルがチャネル内に挿入されている。プレフォームは、編まれた、または撚られたファイバの連続したフィラメントを有する複合材料である。プレフォームは、構造支持梁のウェブをフランジに接合および接着する熱硬化性樹脂を含浸されている。プレフォームは、ウェブおよびフランジが金属と複合材料など異種の材料から形成されている場合でさえも、優れた構造支持を提供する。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するように方向付けられたファイバによって構造的に強化されている。
【0006】
単独のフィラメントがプレフォーム用に選択された場合、その特性は、金属ウェブと複合材料フランジの熱膨張係数の差を最小にするように選択される。しかし、プレフォームは、異なる特性を有する2つ以上のタイプのフィラメントを有してもよい。プレフォームの底部のフィラメントは、その軸方向の熱膨張係数が複合材料フランジのものと一致するように選択される。プレフォームの脚部のフィラメントは、その軸方向の熱膨張係数が金属ウェブのものと一致するように選択される。これらのフィラメントは、プレフォームの脚部と平行に方向付けられた最良な構造ファイバを有することによって、およびプレフォームの底部内に織り込まれることによって、接合された金属ウェブと複合材料フランジの間の結合強度を提供するように組み合わせて使用される。
【0007】
本発明の上記およびその他の目的および利点は、頭記の特許請求の範囲および添付図面と組み合わせて、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を見れば当業者ならば明らかであろう。
【0008】
本明細書の一部を形成している添付の図面に図示されたその実施形態を参照にすると、本発明の特徴、利点および目的、ならびに明らかになるその他のものが得られ、上記で簡単に説明された本発明のより具体的な説明が、より詳細に得られ、理解されるであろう。しかし、図面は本発明の好ましい実施形態のみを図示しているに過ぎず、したがって本発明は他の同様に効果的な実施形態にも適用することができるため、その範囲を限定するものと考えてはならないことに留意されたい。
【0009】
図2および3を参照すると、構造支持梁用の好ましい構成部品すなわち「プレフォーム」11が、示されている。端部から見た、または断面で見たとき、プレフォーム11は、2つの長手方向脚部15、17がそこから延びている長手方向のクロスバーまたは底部13を有する、ギリシャ文字のΠすなわち「パイ」に類似している。溝またはチャネル19が、脚部15、17の間に画定されている。プレフォーム11は、構造ファイバ21(図2)の連続した束または短線を編む、または撚ることによって形成された複合材料である。ファイバ21の短線は、底部13および脚部15、17を含むプレフォーム11の各セグメント全体にわたって連続して延びるように方向付けられている。ファイバ・プレフォームは、選択された荷重担持能力を賦与し、いかなる所望のウェブ・パネル厚さにも対応するために必要な任意の所望のファイバ構造を提供するように形成されてもよい。プレフォーム11は、2つの異種の材料を接着するための接着材として作用する適切な熱硬化性樹脂を含浸されてもよい。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するようにして、x、yおよびz方向に向けられたフィラメントおよび/またはファイバで構造的に強化されている。
【0010】
別法として、プレフォーム11は、含浸されず、樹脂が全体製造プロセスの後のステップで注入されてもよい。後者の実施形態では、プレフォーム11は、プロセスが抑止されないようにしてフィラメントを編むまたは撚ることによって構成される。硬化した後、プレフォーム11は、所望の縁部の真直度、平滑度および寸法の制御を提供するために、適切な方法によって必要に応じて機械加工されてもよい。プレフォーム11の別の説明は、弁理士整理番号TA−00390を有する、米国特許出願第 号に含まれており、参照によって本明細書に組み込まれる。
【0011】
いま図4を参照すると、プレフォーム11は、平らな金属パネル31を平らな複合材料プレート33に角度を付けて接合するために使用される。金属パネル31は、プレフォーム11を接着するように準備された領域32を有する。準備は、化学エッチングなどの、選択された金属合金に適したいかなる適切な確立された方法であってよい。複合材料もまた、剥離層の除去などの適切な方法によって、プレフォームと対合する領域内で、準備されてもよい。図示された実施形態では、金属パネル31が構造支持部材のウェブを形成し、複合材料プレート33がそのフランジを形成しており、角度は垂直である。しかし、複合材料プレート33が、金属パネル31を桁のフランジとして備える桁のウェブを形成してもよい。また、部材間の角度は鋭角であってもよい(図8参照)。ファイバのプレフォーム11は、樹脂の硬化前は可撓性であるため、部材は、互いに対して他の角度で接合することができる。図8では、梁71は、ウェブまたは金属パネル77に対して直交しない角度で傾斜している上部および下部の複合材料フランジ73、75を有する。プレフォーム81の底部79は、ほぼ平らであり、フランジ73、75に対して平行であるが、プレフォーム81の脚部83は、底部79に対して直交しない角度で傾斜している。これらの概念は、I型梁タイプの構造支持部材に限定されず、用途に応じてU字形、C字形、L字形またはZ字形などの他の形状を有する梁での使用に容易に適合することができる。
【0012】
アセンブリ中、金属パネル31の長手方向縁部の1つは、図5に示されているように底に届く(bottom out)、またはほぼ底に届くまで、プレフォーム11のチャネル19内に完全に挿入される。2つの脚部15、17は、パネル31の厚さをぴったりと受けて、それをまたぐ。パネル31の鉛直方向側部または縁部は、プレフォーム11に付着しない。次に、適切な厚さ、ファイバ方向性、および幾何形状の複合材料プレート33が、パネル31に対向するプレフォーム11の底部13に接するように配置されて、構造支持部材用のクロスバーまたはフランジを作成する。複合材料プレート33は、硬化されても硬化されなくてもよいが、本発明の好ましい実施形態では、必要とされるアセンブリツーリングを簡単にするために、所望の形状および寸法公差を提供するようにすでに硬化されている。
【0013】
金属および複合材料の要素の固定具なしでのアセンブリは、以下のステップを介して達成することができる。(1)硬化されていない、樹脂を含浸されたプレフォーム11の底部13が、適切に清浄、または接合準備をされた後、底部プレートまたはパネル(通常複合材料プレート33)上の所望の接合位置に配置される。(2)適切な固定具を用いて、金属パネル31が、複合材料プレート33に対して所望の角度で、硬化されていないプレフォーム11のチャネル19内に配置される。(3)従来型の成形された形状のシリコンゴムまたはその他の適切な圧力増強部/伝達部35(図5)などの、適切な境界ツーリングが、プレフォーム11の両側に接して配置される。(4)バキュームバギング材料39が、結果として得られたアセンブリの周囲に配置され、シーラントビード37で密封され、真空がバッグ下で吸引される。プレフォームが事前に含浸されていない場合、選択された樹脂がその中に注入される。(5)全体構造が、プレフォーム11が含浸された熱可塑性樹脂の硬化に適した熱プロファイルに従って加熱され、それによって、形成中の構造が、その一体結合プレフォーム11を金属パネル31に接着し、所望の構造を作成する。望ましい場合、または必要な場合、プレフォーム11の圧密化を提供するために、樹脂の硬化中、オートクレーブ圧力を同時に作用させてもよい。樹脂および最大硬化温度は、硬化されたガラス転移温度が、アセンブリの意図された使用温度よりも高いように選択される。別法として、フリーラジカル重合などの適切な化学作用を有する樹脂を使用して、それによって電子のエネルギ・ビームが硬化を開始、完了することができる(電子ビーム硬化としてこの産業で公知のプロセス)。(6)要求された硬化サイクルの完了に続いて、バギング材料および位置決め固定具が除去され、完成されたアセンブリとなる。
【0014】
別法として、すべての硬化性の材料を、金属パネル31、プレフォーム11および複合材料33のアセンブリ時に硬化させなくてもよいことは当業者にはすでに明らかであろう。それぞれの構成要素がアセンブリされ、適切なツーリング内に配置された後、プレフォーム11内の樹脂を、樹脂トランスファ成形タイプのプロセスで射出することができる、または、プレフォームを覆う厚い樹脂層を配置することによって、バキュームバギングを加えることによって、注入されることができる。このことは、必要とされる硬化サイクル数を減少させるが、アセンブリの硬化ツーリングの要求をかなり複雑にし、それによってコストとリスクを両方増大させる。さらに別の手段によって、プレフォーム11と硬化されていない複合材料プレート33との共接着を達成することができる。パネル31の一端のみについてプロセスを説明したが、この一連のステップを、パネル31の両端で同時に行って、最終製品の桁または梁41を形成してもよい(図7)。
【0015】
アセンブリの実際の使用温度、および選択された樹脂の化学組成に応じて、アセンブリを、177℃(350°F)の高さの樹脂硬化温度に曝すことが必要であることがある。このような温度では、プレートまたはパネル31、33のそれぞれの寸法的な成長は、それぞれの熱膨張係数によって支配される。約21.6×10−6cm/cm/℃(12マイクロインチ/インチ/°F)の熱膨張係数を有するアルミニウム・パネルでは、3.3×10−6cm/cm(約3300マイクロインチ/インチ)の長さだけ膨張することになる。対照的に、エポキシ樹脂を含浸されたカーボンファイバから形成された複合材料プレート33は、無視できる膨張性を有する。この膨張性の違いは、接合されたパネルおよびプレート31、33上にかなりのひずみを与え、それによって、アセンブリの機械的性能を劣化させ、熱的不整合によって誘発された反りのため、アセンブリの所望の寸法制御の達成を困難にする。プレフォーム11の脚部15、17では、アルミニウム・パネル31の熱膨張係数により近い熱膨張係数を有する軸方向ファイバが、アセンブリ内に作成されたひずみの量を減少させることになる。
【0016】
図6では、代替となる実施形態が、異なる特性を有する2つ(または2つ以上)のタイプのフィラメントおよび/またはファイバを有するプレフォーム51を示している。底部のフィラメント53は、プレフォームの長さに対して平行に方向付けられ、その軸方向の熱膨張係数が複合材料プレート33の熱膨張係数とできる限り厳密に適合するように選択される。脚部フィラメント55は、これもプレフォームの長さに対して平行に方向付けられ、その軸方向の熱膨張係数が、接着領域32を有する金属パネル31の熱膨張係数とできる限り厳密に適合するように選択される。フィラメント53、55は、プレフォーム51の脚部57、59と平行に(矢印61の方向に)方向付けられることによって、およびプレフォーム51の底部63内に織り込まれることによって、接合された金属パネル31および複合材料プレート33に結合強度を提供するために組み合わせて使用される。結合強度を提供するために選択されたファイバまたはフィラメント53は、熱膨張特性のために選択されたファイバおよび/またはフィラメント55に直交するように方向付けられる。これらの直交するファイバ群53は、プレフォーム51の幅を横切って、横糸ファイバ、すなわち、プレフォームの長さ方向に対して垂直であるファイバを編むことから得られるように往復してその形状を追従する。
【0017】
脚部57、59が底部63と交差する領域内で2つの軸方向ファイバ53、55を混合するための大きさおよびパターンは、存在する場合は、解析および/または経験による方法を通じて、特定用途ベースで決定される。プレフォーム51用に単体のフィラメントが選択されたとき(図4)、その特性は、金属パネル31と複合材料プレート33でのその熱膨張係数の差を最小化するように選択される。しかし、すべての場合で、フィラメントは、プレフォームの軸および連続する長さに平行に方向付けられる。
【0018】
フィラメントまたはファイバの選択の例は、プレフォーム11の軸方向にEガラス(登録商標)またはSガラス(登録商標)ファイバ、結合強度方向(脚部15、17の鉛直方向に平行)に、HexelAS4(登録商標)またはTorayT300(登録商標)であろう。グラスファイバは、10.8×10−6cm/cm/℃(6マイクロインチ/インチ/°F)の熱膨張係数を提供するが、一方、カーボンファイバは、ゼロに近い熱膨張係数を有する。したがって、グラスファイバは、カーボンファイバよりも良いアルミニウムとの熱ひずみ整合である。別法として、軸方向の金属製フィラメントが、プレフォーム11の脚部15、17と金属パネル31の間の熱ひずみに、より小さい差を与える。HexcelIM7(登録商標)またはAmocoT600M(登録商標)などの高分子カーボンファイバが、ひずみの差が乗算される全体距離が極めて小さい結合強度方向用に使用されてもよい。
【0019】
樹脂の硬化中、実用されているような低い温度で、樹脂がゲル化するように温度が制御される。このステップに続いて、硬化された樹脂の必要なガラス転移温度を達成するのに必要なレベルまでゆっくりと温度が上昇される。より低い温度で樹脂をゲル化させることは、必要とされるガラス転移温度を達成するのに必要な温度点よりも低い、応力のない温度点の確立を目的としている。ゲル化後の温度上昇は、樹脂の架橋密度が、熱で誘導されたひずみの増加するレベルが弱い接着を破壊しないような速度で増加するように、極めて低速でなければならない。最大温度の滞留(dwell)が完了した後、好ましくは、ゲル化温度よりも少なくとも10℃(50°F)低い温度に到達するまで、実際に低い速度で冷却が行われる。このゆっくりとした冷却によって、ポリマー内でいくらかの緩和が生じることが可能になり、考えられる最低の、応力のない温度を維持することができる。応力のない温度と周囲温度の差に、金属パネル31の熱膨張係数とプレフォーム11内の軸方向ファイバの熱膨張係数の差を乗じたものは、結果として得られるアセンブリ内の熱で誘導されるひずみの量を決定する。
【0020】
本発明は、いくつかの利点を有する。編まれた、または撚られたパイ字形のプレフォームは、金属および複合材料のプレートまたはパネルを、機械的な固定具なしで互いに対して角度を付けて接合する。プレフォームは、従来型の接着剤接着技術よりもはるかに大きな強度を提供する一方、製造コストを単純化し、減少させる。本発明は、穿孔、皿もみ、固定具の設置、または固定具の熱処理を必要としない。機械的固定は、接合長さに沿って進行する追加作業を含むが、本発明は、1つのステップで全体接合部を処理する。このことによって、アセンブリの全体コストでの20%から55%の極めて大きな減少が可能になる。また、本発明はまた、樹脂を含浸されたプレフォームは、等しい強度の接合を提供するために必要であるいくつかの固定具よりも小さい重さであるため、従来技術の解決法よりも重量が軽い。さらに、金属の部材は、フランジのない平らなプレートまたはパネルにすることもでき、それによって、航空機用に使用されるような多くの複雑な、高性能な構造のための金属細部の製造コストがかなり減少される。
【0021】
本発明を、その形態のうちのいくつかのみを図示し、説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない様々な変更がされることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】異種の材料から形成された、従来型の、従来技術の桁の等角図である。
【図2】本発明によって製造された構造プレフォームの等角図である。
【図3】図2の構造プレフォームの端部断面図である。
【図4】図2の構造プレフォーム、複合材料フランジおよび金属ウェブの等角分解図である。
【図5】製造中の図4のプレフォーム、フランジおよびウェブの端面概略図である。
【図6】図4の構造の代替バージョン、複合材料フランジおよび金属ウェブの等角分解図である。
【図7】本発明による図4の構成要素から製造された梁の端面図である。
【図8】本発明に従って製造された梁の代替となる実施形態の端面図である。
Claims (24)
- 軸方向に延びている1対の長手方向縁部を有する、金属材料と複合材料のうちの一方で形成された、ウェブと、
金属および複合材料のうちの他方で形成されたフランジと、
そこから延びて間にチャネルを画定している1対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有する、複合材料で形成されたプレフォームとを備える構造部材であって、
前記プレフォームが底部および脚部を通って延びるフィラメントで形成されており、
前記ウェブの長手方向縁部の1つがプレフォームのチャネル内に接着され、前記フランジがプレフォームの底部の表面に接着されている構造部材。 - 軸方向フィラメントが、ウェブとフランジの熱膨張係数の差を最小化する、請求項1に記載の構造部材。
- プレフォームが、パイ字形の断面を有する、請求項1に記載の構造部材。
- 軸方向フィラメントが、プレフォームの軸方向の、連続した長さと平行に方向付けられている、請求項1に記載の構造部材。
- プレフォームのフランジおよび底部が、ウェブに対して直交しない角度で傾斜している、請求項1に記載の構造部材。
- プレフォームが、ウェブとフランジを互いに接着する接着剤として作用する熱硬化性樹脂を含浸されている、請求項1に記載の構造部材。
- 樹脂が、ウェブとフランジの間の結合強度を提供するためにファイバによって構造的に強化されている、請求項6に記載の構造部材。
- プレフォームが、底部に第1のタイプの軸方向フィラメントを有し、脚部に第2のタイプの軸方向フィラメントを有する、請求項1に記載の構造部材。
- 第1および第2のタイプの軸方向フィラメントが、脚部が底部と交差する領域内で混合されている、請求項8に記載の構造部材。
- 第1のタイプの軸方向フィラメントが、フランジの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有し、第2のタイプの軸方向フィラメントが、ウェブの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有する、請求項8に記載の構造部材。
- 軸方向に延びている1対の長手方向縁部を有する金属材料と複合材料のうちの一方で形成されたウェブと、
金属および複合材料のうちの他方で形成されたフランジと、
そこから延びて間にチャネルを画定している1対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有する、複合材料から形成されたほぼパイ字形状のプレフォームとを備える構造部材であって、
前記軸方向フィラメントが、プレフォームの軸方向の、連続した長さと平行に方向付けられており、ウェブとフランジの熱膨張係数の差を最小化し、また、
前記ウェブの長手方向縁部の1つがプレフォームのチャネル内に接着され、前記フランジがプレフォームの底部の表面に接着されている構造部材。 - プレフォームのフランジおよび底部が、ウェブに対して直交しない角度で傾斜している、請求項11に記載の構造部材
- プレフォームが、ウェブとフランジを互いに接着する接着剤として作用する熱硬化性樹脂を含浸されている、請求項11に記載の構造部材。
- 樹脂が、ウェブとフランジの間の結合強度を提供するためにファイバによって構造的に強化されている、請求項13に記載の構造部材。
- プレフォームが、底部に第1のタイプの軸方向フィラメントを有し、脚部に第2のタイプの軸方向フィラメントを有し、また第1および第2のタイプの軸方向フィラメントが、脚部が底部と交差する領域内で混合されている、請求項11に記載の構造部材。
- 第1のタイプの軸方向フィラメントが、フランジの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有し、第2のタイプの軸方向フィラメントが、ウェブの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有する、請求項15に記載の構造部材。
- (a)軸方向に延びている1対の長手方向縁部を有する、金属材料と複合材料のうちの一方で形成されたウェブと、金属および複合材料のうちの他方で形成されたフランジとを提供するステップと、
(b)そこから延びて間にチャネルを画定している1対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有し、底部および脚部を通って延びるフィラメントを有する、プレフォームを、複合材料から形成するステップと、
(c)プレフォーム、ウェブ、およびフランジ上に境界ツーリングを配置し、構造部材を加熱するステップと、
(d)プレフォームの脚部がウェブをしっかりと受けるように、ウェブの長手方向縁部をプレフォームのチャネル内に接着するステップと、
(e)プレフォームの底部をフランジに接着して、構造部材を形成するステップとを含む、構造部材を製造するための方法。 - ステップ(d)および(e)が、ウェブ、フランジおよびプレフォームを加熱して、それらの間に構造的接着を作成することを含む、請求項17に記載の方法。
- プレフォームに熱硬化性樹脂を含浸させるステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- ステップ(b)のプレフォームが含浸されない方法であって、含浸されていないプレフォームに樹脂を注入または射出するステップをさらに含む請求項17に記載の方法。
- プレフォームの圧密化を提供するためにオートクレーブ圧力を加えるステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 複合材料から形成されたウェブとフランジのうちの前記一方を硬化させるステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- ステップ(c)が、バキュームバッグの内部にプレフォームを覆う密封された圧力増強部を配置することを含む、請求項17に記載の方法。
- プレフォームのフランジおよび底部に対して直交しない角度で、プレフォームのウェブを傾斜させるステップをさらに備える、請求項17に記載の方法。
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